1、交通部西部交通建設(shè)科技項目合同號：200131800020黃土地區(qū)公路高邊坡防護技術(shù)研究成果簡本陜西省公路勘察設(shè)計院長安大學(xué)2004年12月精品文檔黃土地區(qū)公路高邊坡防護技術(shù)研究成果簡本課題承擔(dān)單位:陜西省公路勘察設(shè)計院課題協(xié)作單位:長安大學(xué)課題負責(zé)人:李子青趙之勝報告編寫人:趙之勝謝永利倪萬魁孔金玲主要參與人員：李子青趙之勝謝永利倪萬魁孔金玲史志軍張亮楊曉華劉海松高鳳亮王文生高德彬石昊南楊泓全顏斌報告審定：日期:李子青趙之勝2004年12月一、研究目標(biāo)本項目以黃土地區(qū)重大公路工程為依托，采用“點”與“面”結(jié)合、室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合以及理論計算與實體工程驗證相結(jié)合的技術(shù)手段，重點解決公路黃

2、土高邊坡穩(wěn)定性評價、坡型設(shè)計、邊坡防護等技術(shù)難題，提出一套適合黃土高邊坡的穩(wěn)定性分析、設(shè)計和防護方法，從而大大提高公路黃土高邊坡設(shè)計與防護的科學(xué)性與經(jīng)濟性，改善公路沿線的生態(tài)環(huán)境。二、研究內(nèi)容1 公路黃土高邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型研究；2 黃土土性參數(shù)統(tǒng)計分析研究；3 非飽和黃土強度實驗研究；4 公路黃土高邊坡穩(wěn)定性分析研究；5 公路黃土高邊坡推薦設(shè)計坡型研究；6 公路黃土高邊坡防護技術(shù)研究；7 公路黃土高邊坡防護決策支持系統(tǒng)研建。三、研究工作所取得的主要科技成果本項目通過對陜西、甘肅、寧夏、青海、山西、河北和河南七省區(qū)黃土丘陵、黃土塬、黃土梁峁及高階地區(qū)已建公路高邊坡的現(xiàn)場調(diào)查、勘測、現(xiàn)場試驗和系統(tǒng)

3、的室內(nèi)試驗與分析計算，歷時三年多，主要在九個方面取得了進展，總結(jié)如下：1 黃土地區(qū)公路工程地質(zhì)綜合分區(qū)研究在現(xiàn)場調(diào)查和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了黃土高原區(qū)的自然地理環(huán)境、地形地貌、地層特征、地質(zhì)構(gòu)造以及黃土的工程特性，編制了精品文檔黃土地區(qū)公路工程地質(zhì)圖（1：2000000），參考原公路路基規(guī)范，劃分出東南區(qū)（I區(qū)）、中部區(qū)（II區(qū)）、西部區(qū)（III區(qū)）、北部區(qū)（W區(qū)）等四個工程地質(zhì)區(qū)。重新統(tǒng)計了各區(qū)黃土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，是對原路基規(guī)范的補充和完善，為黃土地區(qū)的公路工程建設(shè)提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。2 公路黃土高邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型研究對黃土地區(qū)高速公路和一級公路，以及國道307、30

4、9、310、312、316、210、211、212、108、109等進行了現(xiàn)場調(diào)查。調(diào)查線路總里程近10000km，實測公路黃土高邊坡251處，編制出黃土高原地區(qū)公路高邊坡分布現(xiàn)狀及坡型圖（1：2000000）。依據(jù)黃土的成因時代、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等，將黃土地區(qū)公路黃土高邊坡劃分為八大類，分別為新黃土單一結(jié)構(gòu)（I）、新老黃土組合型（II）、老黃土單一結(jié)構(gòu)型（III）、老黃土與古黃土組合型（W）、老黃土與紅粘土組合型（V）、黃土與基巖組合型（W）新黃土與階地沖積層組合型（W）和老黃土與紅粘土及基巖組合型（訓(xùn)I）。編制出黃土地區(qū)公路高邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型圖（1：2000000），總結(jié)了

5、各地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的分布規(guī)律和特征，這對公路黃土高邊坡穩(wěn)定性分析以及防護設(shè)計都具有非常重要的實際意義。3 黃土土性參數(shù)統(tǒng)計分析研究采用傳統(tǒng)法和規(guī)范法對各區(qū)黃土的主要物理力學(xué)指標(biāo)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明新、老黃土的物理指標(biāo)Y變異性低，其標(biāo)準值與均值相差不大，但抗剪強度指標(biāo)c和申的變異性很大，依勘察規(guī)范所計算的標(biāo)準值比均值成倍減小。因此在黃土高邊坡設(shè)計中，黃土的物理指標(biāo)可按標(biāo)準值選取，而抗剪強度指標(biāo)不宜采用標(biāo)準值。黃土層與古土壤層無論從物質(zhì)組成，還是從物理力學(xué)性質(zhì)均表現(xiàn)出明顯精品文檔的差異。在古土壤底部的鈣質(zhì)結(jié)核層位，錐尖阻力成倍增大，有明顯的峰值。因此，黃土土性的空間自相關(guān)距離從宏觀上說應(yīng)與其分層厚

6、度基本一致。由于新黃土（Q3）和老黃土（Q22）的層厚較大，古土壤層少而薄，因此在黃土高邊坡穩(wěn)定性分析中，可作為均勻土層對待。而對古土壤層較多的老黃土（Q12）和古黃土（Q1）應(yīng)在詳細研究其空間自相關(guān)性的基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計分析，或近似按厚度加權(quán)平均值選用。鈣質(zhì)結(jié)核層的存在對土體的穩(wěn)定性是有利的，也應(yīng)給予足夠的重視。4 非飽和黃土強度特性研究 通過大量室內(nèi)試驗，研究了非飽和黃土抗剪強度、結(jié)構(gòu)強度與基質(zhì)吸力（含水量）之間的關(guān)系，首次提出了用結(jié)構(gòu)強度表示的抗剪強度公式：t=c+tan0+心fs式中q為結(jié)構(gòu)強度；九是與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)的一個參數(shù)，反映出了結(jié)構(gòu)強s度對不穩(wěn)定粘聚力的貢獻。對于粉土、粉細砂、細砂、

7、飽和土來說，粘聚力很小或者幾乎沒有，這時九數(shù)值等于1.0，而對于粉質(zhì)粘土和結(jié)構(gòu)性黃土來說，九數(shù)值大于1.0。該公式計算簡單，參數(shù)確定簡易，在實際工程中將有著廣泛的應(yīng)用前景。 在控制吸力的非飽和黃土三軸試驗研究基礎(chǔ)上，把結(jié)構(gòu)強度引入非飽和土的非線性模型中，提出了一個較完整的非飽和黃土的非線性模型，R(1-sin，)(-o)f131-2c+Xqcos申+2(o-u)sin0s3axkpatm-u3aIpt丿atm 采用先進的三軸CT試驗技術(shù)，研究了原狀Q3和Q2黃土剪切過程中的細觀結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，認為原狀非飽和Q3黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是一種強硬化型，而Q2黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線是弱硬化型。5 首次開展

8、了原狀黃土邊坡變形破壞機理離心模擬試驗研究精品文檔在禹門口一閆良高速公路K173+079路塹邊坡段，共取體積為100X70X50cm3原狀黃土樣12件。其中，Q3土樣6件，Q2土樣6件。對不同坡型黃土邊坡的穩(wěn)定性、降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響和黃土邊坡的破壞特性與機理等進行了模擬研究。結(jié)果表明： 黃土路塹邊坡在破壞前發(fā)生急劇壓縮沉降，而側(cè)向位移不顯著。若原狀黃土邊坡發(fā)生明顯側(cè)向位移，則邊坡已發(fā)生破壞。 對于高3040m的直線形黃土邊坡，當(dāng)坡比為1：0.21:0.3時，其滑面形狀上部為直立面，中部為一直線，下部為圓弧形。對于下陡上緩、下緩上陡型和臺階梯黃土高邊坡，其滑面形狀上部為直立面，中下部近似為圓

9、弧形，形成滑塌破壞。邊坡變形破壞是一個漸進過程，即坡高13處首先發(fā)生剪切破壞，形成剪裂隙，接著邊坡頂部產(chǎn)生張裂隙，隨后邊坡下部剪裂面與頂部張裂隙不斷擴展，最后滑裂面貫通，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。6 公路黃土高邊坡穩(wěn)定性研究 對已建公路黃土高邊坡的變形破壞類型、防排水措施及效果、植被發(fā)育狀況等進行了調(diào)研，分析了影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。選擇代表性黃土邊坡，分別采用圓弧法、裂隙圓弧法和裂隙法進行了穩(wěn)定性分析驗算，發(fā)現(xiàn)圓弧條分法計算結(jié)果最大，裂隙圓弧法次之，裂隙法最小。裂隙法是針對線性坡型，坡高小于30m的情況下得出的。目前高等級公路黃土高邊坡（大于30m）的坡型通常為階梯形，在邊坡開挖過程中逐級開挖，邊

10、坡側(cè)向應(yīng)力逐漸釋放，邊坡頂部出現(xiàn)深度一般較小的局部拉張裂隙。因此裂隙法夸大了邊坡的實際裂隙深度，減小了滑弧長度，使得穩(wěn)定性計算結(jié)果偏小，為此，本課題建議采用裂隙圓弧法對黃土高邊坡進行穩(wěn)定性評價。 有限元模擬分析表明，邊坡中部大平臺的存在，將坡體分為兩個相對獨立的坡段（上、下段），剪應(yīng)力在大平臺附近形成向坡里移動的曲線，精品文檔即剪應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，難以形成圓弧狀的剪應(yīng)力軌跡，意味著發(fā)生破壞的可能性減小。因此對于多級黃土高邊坡，邊坡中部大平臺是保持黃土高邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。 通過實體工程降雨入滲試驗和有限元數(shù)值模擬分析均表明，在百年一遇降雨條件下，坡頂和平臺部位入滲深度為1.52.0m，飽和帶深度小于1

11、m,坡比為1：0.41：0.5的坡面，入滲深度小于1m,飽和帶深度小于50cm。降雨入滲雖對邊坡的坡面穩(wěn)定性有一定影響，但對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大。這與物理模擬實驗結(jié)果基本一致。7 公路黃土高邊坡推薦設(shè)計坡型研究以“寬臺陡坡”的設(shè)計理念，經(jīng)過大量分析驗算，并考慮到邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和防護工程的實際需要，提出了黃土地區(qū)各工程地質(zhì)區(qū)公路高邊坡的坡型設(shè)計推薦方案（表1）。該方案已在陜西省在建和擬建公路黃土邊坡設(shè)計中推廣使用，填補了現(xiàn)行公路路基設(shè)計規(guī)范中有關(guān)黃土高邊坡設(shè)計的空白，對黃土地區(qū)的公路建設(shè)將產(chǎn)生深遠的影響。8 公路黃土高邊坡防護技術(shù)研究 通過對土釘墻在絳法公路K1+616跨線橋黃土高邊坡加固

12、工程的應(yīng)用研究，分析了土釘墻的作用機理，總結(jié)了土釘墻的施工工藝與質(zhì)量控制。認為在較詳細掌握黃土的物理力學(xué)性質(zhì)和高邊坡可能出現(xiàn)的破壞機理的前提下，土釘墻加固公路黃土高邊坡的高度可達30m。這是對原有土釘墻應(yīng)用范圍的發(fā)展。 選擇閻良禹門口高速公路芝川河橋頭K30+125路塹邊坡段、K173+079路塹邊坡段、西安繞城高速公路南段K65+655分別采用平臺植樹、三維網(wǎng)厚層基材植草和三維植草防護方案，實驗對比了各種方案的防護效果、造價和施工工藝，并采用先進的人工降雨系統(tǒng)對三種防護方案進行了現(xiàn)場沖刷試驗，證明了平臺植樹是一種較理想的防護措施（照片1）。制定了精品文檔邊坡坡面防護設(shè)計的基本原則和工作程序，

13、提出了黃土地區(qū)公路高邊坡防護的推薦技術(shù)（表2），對提高黃土地區(qū)公路邊坡防護技術(shù)水平、保護生態(tài)環(huán)境、修訂和完善有關(guān)規(guī)范都具有重要的理論指導(dǎo)和實際意義。 提出了三種復(fù)合型生態(tài)防護技術(shù)設(shè)計、施工工藝流程、質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準。對比三種復(fù)合生態(tài)防護技術(shù)的施工工藝和工程造價，表明綠化防護板生態(tài)護坡技術(shù)優(yōu)勢更加明顯（照片2）。 總結(jié)了數(shù)十條黃土地區(qū)公路邊坡排水設(shè)計經(jīng)驗與教訓(xùn)，對傳統(tǒng)的平臺截水溝進行了改進，提出了三角形、半圓形和蝶形三種平臺截水溝的設(shè)計方案。精品文檔照片1西禹高速公路K36+850處高邊坡平臺植樹防護效果（種植一年后）照片2黃陵-延安高速公路道南隧道出口綠化防護板生態(tài)護坡效果圖精品文檔9 公路黃土高

14、邊坡防護決策支持系統(tǒng)研建以GIS為開發(fā)平臺，建立了黃土高邊坡基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和專業(yè)評價模型庫，通過系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了信息的可視化提取、分析評價和基于“模糊綜合評判”的邊坡防護決策分析功能（照片3）。系統(tǒng)主界面=|)|L3Z_dd.l2dA|Q|r查詢對話框精品文檔精品文檔照片3公路黃土邊坡防護決策支持系統(tǒng)功能界面防護決策對話框精品文檔表1黃土地區(qū)路塹高邊坡坡型設(shè)計推路基工程地質(zhì)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型30mHW40m40mHW50m綜合坡比綜合坡比呂梁山以東，關(guān)中盆地、晉中南、豫西地區(qū)1：0.951:1.1單坡高46m,臺寬2.54m,坡比1：0.41：0.51：0.75IIIII1：0.91：1.05單坡

15、高56m，臺寬坡比1：0.41：0.534m,1：1.051：1.1單坡高810m，臺寬35m坡比1：0.41：0.51：0.7呂梁山以西，六盤山以東，晉西、陜北、隴東地區(qū)IIIII1：0.81：1單坡高68m，臺寬34m,坡比1：0.41：0.51：11：1.05單坡高810m，臺寬46m坡比1：0.41：0.51：0.71：11:1.15單坡高46m,臺寬2.54m,坡比1：0.51：0.751：1六盤山以西，隴西、寧南地區(qū)II1：0.81：1單坡高810m，臺寬3.55m,坡比1：0.41：0.51：1.051：1.15單坡高810m，臺寬3.55m坡比1：0.51：0.751：0.75

16、1：0.9單坡高810m，坡比1：0.41：臺寬34m,0.51：11：1.1單坡高810m，臺寬34m坡比1：0.41：0.51：0.7呂梁山以西，六盤山以東，內(nèi)蒙、寧北、晉西北、陜北北部以及河西走廊地區(qū)IIIII1：11：1.1單坡高68m，臺寬3.55m,坡比1：0.51：0.751：1.051：1.2單坡高810m，臺寬3.55m坡比1：0.51：0.751：1：0.71：0.9單坡高810m，臺寬24m,坡比1：0.31：0.51：0.751：0.91：1.1單坡高810m，臺寬35m坡比1：0.31：0.51：0.7注：大平臺位置根據(jù)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型區(qū)別對待。 具有黃土、古土壤、鈣

17、質(zhì)結(jié)核互層結(jié)構(gòu)的坡體，單級坡比可取下限值。 高等級公路坡比應(yīng)取上限值。 基巖出露部分，單級坡高可適當(dāng)增大，不宜設(shè)大平臺。精品文檔精品文檔表2黃土地區(qū)路塹高邊坡防護方案推薦表路基分區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型單級坡比上限單級坡高(m)防護措施植物物種1:0.7556坡面植草；平臺植樹+截、排水溝。刺槐、紫穗槐、火炬樹、檸條、迎春樹、泡桐、山楊、旱柳、怪柳、荊條；I1:0.545坡面植草；平臺植樹+截、排水溝。東南區(qū)1：0.445平臺植樹+截、排水溝。冰草、小冠花、紫花苜蓿、黑麥草、莎草、長芒草、1:1810坡面植草；平臺植樹+截、排水溝。大針茅、黃背草、白草、菅草、狼尾草、大油芒、艾蒿，本氏羽茅、克氏針I(yè)II

18、II1：0.7568坡面植草；平臺植樹+截、排水溝。1：0.556平臺植樹+截、排水溝。茅、胡枝子、結(jié)縷草以及蒿類等。1:1810骨架植物護坡；平臺植樹+截+排水溝。刺槐、紫穗槐、檸條、多花木蘭、怪柳；冰草、小冠花、雜交苜蓿、河蒴堯中部區(qū)IIIII1：0.7568坡面植草；平臺植樹+截、排水溝。1：0.568平臺植樹+平臺截、排水溝。花、無芒雀麥、鐵桿蒿、白羊草、短花針茅等。1：0.7556骨架護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。I1：0.545平臺植樹+平臺截、排水溝。1：0.445漿砌片石護面墻；平臺植樹+平臺截、排水溝。沙棘、紫穗槐、檸條、怪柳、杞柳、狼牙刺、虎榛1:1810骨架護坡；坡面植

19、草；坡面植樹，平臺植樹+截、排水溝。西部區(qū)II1：0.7568骨架植物護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。子、胡枝子、荊條；冷蒿、西北針茅、錦雞兒、紫花苜蓿、鐵干蒿、沙打旺、1：0.568漿砌片石護面墻；骨架護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。1:1810骨架植物護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。黃背草等。V1：0.7568骨架護坡，平臺植樹+平臺截、排水溝。1：0.468漿砌片石護面墻；平臺植樹+平臺截、排水溝。復(fù)合型生態(tài)防護1：1.15810骨架護坡；坡面植樹；平臺植樹+平臺截、排水溝。檸條、沙棘、旱柳、怪柳；荒漠錦雞兒、雜交苜蓿、IIIII1：0.7568漿砌片石護面墻；骨架護坡；平臺植樹+平臺截

20、、排水溝。北部區(qū)1：0.568漿砌片石護面墻；骨架護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。草木樨、鐵桿蒿、大針茅、沙生針茅、冷蒿、狼牙刺、短花針茅、芨芨草、駱駝訓(xùn)1:1810骨架護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。訓(xùn)1：0.7568漿砌片石護面墻；骨架護坡；平臺植樹+平臺截、排水溝。朿U、沙打旺等。1：0.3812漿砌片石護面墻等工程防護。復(fù)合型生態(tài)防護注：東南區(qū)可以使用喬木，其它區(qū)慎用。四、研究成果應(yīng)用項目研究過程中，課題組始終貫徹“科學(xué)研究與工程實踐緊密結(jié)合，為公路建設(shè)服務(wù)”的指導(dǎo)思想，通過對現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗和分析計算結(jié)果的總結(jié)，及時將研究結(jié)果反饋給有關(guān)公路建設(shè)部門，為設(shè)計優(yōu)化，方案變更提供了理論依據(jù)。（1）本課題提出的“寬臺陡坡”設(shè)計理念，在黃陵延安高速公路43處黃土高邊坡設(shè)計中得到全面應(yīng)用，并在施工過程中對個別邊坡根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和分析計算結(jié)果，及時調(diào)整了設(shè)計方案，保證了工程建設(shè)的順利進行（2）本課題提出的黃土高邊坡坡型設(shè)計推薦方案，已經(jīng)被陜西省交通廳建設(shè)處采用，并在陜西省黃土地區(qū)公路建設(shè)中開始推廣使用。（3